26455445_多通道烘缸旋转试验台的设计与实现|江阴雨辰互联

2024年4月19日发(作者：)

多通道烘缸旋转

多通道烘缸旋转试验台的

设计与实现

王莎

董继先

1，

郭浩增

张树林

乔丽洁

董惟昕

（1.陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021；

2.西安科技大学图书馆，陕西西安，710054）

作者简介：王莎女士，

摘要：本课题以研究多通道烘缸性能为目的，设计搭建了温度采集、压力采集、图像采集为一体

在读博士研究生；研究

方向：轻工装备及控制。

的模拟烘缸旋转的试验台，并对试验台的性能进行了测试。结果表明，在给定压力条件下，通道组

件的密封性能良好；在通道旋转状态下，传感器可成功采集通道内的温度及压力变化的数据，并将

数据无线传输至计算机中，各数据之间的采集与传输互不干涉；摄像机在高速旋转状态下可清晰采

集到通道内部蒸汽冷凝流型。

关键词：多通道烘缸；性能测试；高速图像采集；旋转

中图分类号：TS736.

3文献标识码：ADOI：10.11980/.0254-508X.2022.02.010

DesignandRealizationofMulti-channelCylinderDryerRotatingTestBench

（eofMechanicalandElectricalEngineering，ShaanxiUniversityofScience&Technology，Xi’an，ShaanxiProvince，710021；

y，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an，ShaanxiProvince，710054）

（*E-mail：djx@）

WANGSha

DONGJixian

1，

GUOHaozeng

ZHANGShulin

QIAOLijie

DONGWeixin

Abstract：Tostudytheperformanceofthemulti-channeldryer，atestbenchthatsimulatedtherotationofthedryerwasdesignedinthis

couldsuccessfullycollectthedataofthetemperatureandpressurechangesinthechannelwhenthechannelwasrotating，andwirelessly

lectionandtransmissionofdatadidnotinterferewitheachother，thecameracouldcollectthe

steamcondensateflowpatterninsidethechannelunderthehigh-speedrotationstate.

Keywords：multi-channelcylinderdryer；performancetest；high-speedimageacquisition；rotating

ultsshowedthatthesealingperformanceofthechannelcomponentswasgoodunderthegivenpressureconditions，thesensor

study，whichintegratedtemperaturecollection，pressurecollection，andimagecollection，andtheperformanceofthetestbenchwasstud⁃

造纸生产过程中，如何减少热阻以提高烘缸的干

燥效率是亟需解决的问题之一。传统纸机烘缸在干燥

过程中，蒸汽在烘缸内部冷凝放热产生大量冷凝水不

能及时排出，在缸内形成冷凝水环并随着烘缸回转，

影响蒸汽对烘缸内壁的传热效率

[1-2]

。国内外研究人员

采取配备虹吸管排水装置以减少冷凝水环的厚度，或

使用扰流棒使冷凝水产生湍流传热热阻等方法解决以

上问题

[3-5]

。这些方法在一定程度上降低了传热热阻，

提高了烘缸传热效率，但并没有完全解决问题。Choi

等人

[6]

提出了一种新型多通道烘缸，烘缸内壁周向均

匀分布一系列矩形通道，蒸汽进入烘缸内筒，然后由

内筒进入矩形通道，在矩形通道进行冷凝放热。Jae

等人

选取单个矩形通道进行研究，结果表明，多通

·64·

[7]

道烘缸的冷凝传热系数可达15000W/(m

·K)，比传统

烘缸的传热系数提高了7~20倍。

董继先课题组

[8-10]

在Choi等人

[6]

的基础上进行改

进，蒸汽经进气口直接进入矩形通道，在通道内冷凝

系数可达8000~24000W/(m

·K)

[11-12]

，与前人研究结论

放热；通过试验研究发现，单个矩形通道的平均换热

相似。前人研究中的数据均是在静止条件下得到的，

但烘缸的实际工作状态为轴向旋转状态，国内外对旋

收稿日期：2021-11-08（修改稿）

基金项目：国家自然科学基金（51375286）；陕西省教育厅服务

地方专项项目（19JC004）。

*通信作者：董继先，博士，教授，博士生导师；研究方向：轻

化工装备的设计理论及应用，轻化工机械的流体传动与控制。

ChinaPulp&Paper

Vol.41，No.2，2022

转状态下通道冷凝换热的研究主要集中在涡轮叶片或

所示，主要由支撑装置、传动系统、热电阻、数据采

集模块、流量计、差压变送器及压力传感器组成。本

试验台的旋转半径400mm，矩形通道的长度

1100mm，试验台总长度2900mm，总高度1205mm，

宽度1350mm。通道组件是本实验的试验件，主要研

究蒸汽在通道内流动过程中温度及流型的变化，由通

道、密封垫、PC板、PC板压盖、冷却剂通道盖板等

组成，各组成部分由密封垫连接；蒸汽及冷却水分别

通过金属软管进入矩形通道内，为防止液体及气体的

泄露，同时在通道的四周均布有54个螺纹孔，用螺

栓进行预紧。

当纸机车速为200~300m/min时，冷凝水由于离

心力及重力的共同作用，在烘缸底部逐步形成水环附

着在烘缸壁上；当车速达300m/min以上时，冷凝水

受到足够大的离心力作用，在缸壁形成一个完整的水

环，并随烘缸一起旋转，但转速略低于缸速。即当通

道的转速为79~119r/min时，会产生冷凝水环。本课

题设计通道的最大旋转速度318r/min，用来模拟纸机

车速800m/min的运行状态。

当达到最大转速318r/min时，通道受离心力而

发生最大弯曲变形。前期工作结果显示

[19]

，通道最大

变形量0.4mm，最大屈服强度31.03MPa。根据通道

的许用挠度y=l/750~l/500（l为通道长度），得出通道

最大允许变形量为2.2mm；通道材料为铝板，最大

屈服强度为275MPa，所以通道的最大变形量及最大

屈服强度均满足要求，该试验装置的结构强度满足

要求。

1.2传动系统计算

本实验装置通过调节变频器来改变电机的转速，

热管中，多为径向旋转，而通道形状多为U型通道和

回转通道

[13-16]

。Hosseinalipour等人

[14]

对光滑U型通道

在径向旋转状态下研究了雷诺数、旋转数及进气口密

度比对对流换热的影响；Ibrahim等人

[17]

研究了径向

Johnson等人

[18]

通过试验发现偏心参数对压降几乎没

有影响，在通道的入口区域旋转对压降的影响可以忽

为了实现与现实烘缸运行一致的效果，研究其传

热特性，本课题设计并搭建了一种旋转式多通道烘缸

试验台，并对试验台的密封性能、温度场检测及流型

图像的采集进行试验测试，检测试验台能否成功采集

通道内部温度场的变化，以及旋转状态下蒸汽在矩形

通道内流型变化，为多通道烘缸的后续研究及应用提

供试验平台。

1.1

试验台的设计

试验台基本结构

多通道旋转试验台主要由3部分组成：蒸汽循环

系统、冷却剂循环系统和旋转装置。蒸汽循环系统产

生的蒸汽经过金属波纹管进入旋转的矩形蒸汽通道

内；冷却剂循环系统用来模拟湿纸幅，在多通道烘缸

旋转试验中，由冷却水代替冷却剂经塑料软管进入旋

转的矩形冷却剂通道，其中旋转装置主要是带动试验

件旋转，用来模拟实际烘缸的旋转状态。

前期已完成部分工作

[19]

：旋转装置的结构如图1

旋转状态下，转速对三角形热管传热特性的影响。

略不计。

从而研究不同转速下矩形通道换热系数的变化。具体

计算如下所示

[19]

。

旋转装置的转动惯量由旋转圆盘、通道组件和支

撑板3部分组成。根据理论力学公式

[20]

，支撑杆和通

道组件的转动惯量（J）由式(1)计算。

J=mR

（1）

注

其中，m为支撑板质量，kg；R为回转半径，m。

件总质量约21kg，可计算得支撑杆的转动惯量为J

0.96kg·m

，通道组件的转动惯量J

=6.72kg·m

。

根据理论力学公式

[20]

，旋转装置的总转动惯量由

本实验装置中支撑板的总质量约2.7kg，通道组

1—变频电机；2—同步带；3—大带轮；4—小带轮；5—张紧装

置；6—滑环；7—圆盘；8—轴承；9—通道组件；10—供电模块；

15—涡街流量计；16—侧架1；17—压力变送器；18—差压变送器；

19—侧架2；20—涡轮流量计；21—底架；22—主轴。

11—支撑板；12—热电阻采集模块；13—热电阻；14—固定卡环；

Fig.1Structuredrawingofrotarydevice

图1旋转装置

式(2)计算。

（2）

旋转圆盘总质量约25kg，可得圆盘的转动惯量

·65·

《中国造纸》2022年第41卷第2期

=4kg·m

。因此，旋转装置的总转动惯量为J=11.68

kg·m

。

1.3传感器的选择与安装

蒸汽及冷却水通道内安装热电阻，分别用来检测

电机从0加速到318r/min需要15s，此时最大转

蒸汽侧、通道壁面及冷却剂侧的温度，采集的温度数

据用于后续计算烘缸的传热系数；差压变送器安装在

蒸汽进出通道口处，用来检测冷凝换热过程中压降变

化；在旋转过程中，应用高速摄像机拍摄通道内两相

流流型。热电阻、差压变送器与通道相对静止，检测

到的数据由采集模块无线传输至计算机中；高速摄像

机则是通过旋转轴触发光电传感器工作，从而触发相

机进行拍摄。整个试验台的数据采集工作原理如图2

所示。

5 VDC0 V

−

T T

101

T T

102

T T

115

T T

116

P T

101

DPT

101

速的角加速度α=2.2rad/s

，则圆盘加速过程中需要的

力矩为25.7N。滚动轴承的摩擦系数较小，可忽略摩

擦力矩。圆盘从零加速到匀速运转状态所需的动能E

由式(3)计算。

Jω

式中，ω为圆盘的角速度。

（3）

计算得E=6359.76J，则圆盘从静止加速到最大

功率P

=P+J

，其中J

是电机的等效转动惯量，α

为

速度所需功率为P=E/t=424W。故电机所需要提供的

电机的角加速度。综上所述，本实验装置选择型号

F1500Y22L3H的精研变频电机减速电机。

电机安装在底座上，转动时可以减少震动，增加

其稳定性；传动系统选择皮带或同步带轮传动。由于

同步带轮具有准确的传动比、噪音小，可以实现准确

控制转盘的转速，本实验装置的传动系统选择同步带

轮传动，传动比为1∶1，根据小带轮的转速和电机

的功率，选择同步齿形带的型号为S8型

[21]

。

根据式(4)计算皮带周长

。

π(D

)(D

-d

)

=2C'+

（4）

4C'

式中，C'表示暂定轴间距；D

表示大带轮节圆直

Trig

Sign

0 V

高速摄

像机

CH1

CH2CH15CH16CH17CH18

数据采集模块

计算机

图2

Fig.2

数据采集工作原理

Workingprincipleofdatacollection

本实验系统选用PT100热电阻测量通道内温度的

变化，热电阻在通道内的排布方式如图3所示，其中

c,i

用来检测冷却液的温度，T

w,i

用来检测壁面的温度，

中因离心力被甩出通道，使用带耳朵的热电阻经螺钉

s,i

用来检测蒸汽的温度。为防止热电阻在旋转过程

径；d

表示小带轮节圆直径。由计算得L

'=1192.8

mm，选出最接近的皮带周长L

为1264mm。

根据式(5)~式(6)计算实际轴间距。

b+b

-8(D

-d

)

b=2L

-π(D

)

（5）

（6）

固定住，在入口处涂密封胶，在安装前首先对热电阻

进行校准。

2.1

旋转试验台性能测试

通道组件密封性实验

多通道烘缸旋转试验台如图4所示。本试验台用

于研究多通道烘缸在旋转状态下的冷凝传热效果。多

计算可得，实际轴间距C=520mm。

同步齿形带在运转一段时间后，会由于永久变形

而松弛，导致初拉力下降。为保证同步带的传动能

力，需增加张紧机构。

c,1

w,1

c,2

w,2

c,3

w,3

c,4

冷却液出

蒸汽入

s,1

s,2

s,3

w,4

c,5

w,5

c,6

冷却液入

冷凝水出

s,4

s5,

图3

Fig.3

·66·

热电阻的排布方式

Schematicdiagramoftemperaturedistributionmeasurementpointsintheexperimentsection

ChinaPulp&Paper

Vol.41，No.2，2022

通道烘缸的工作原理是蒸汽在通道内部冷凝换热从而

干燥湿纸幅，蒸汽通道的密封性能影响模拟干燥时蒸

汽冷凝过程中压降的变化及热量的转换，需保证通道

组件在实验过程中密封性能良好，防止蒸汽从通道中

泄露，造成较大误差。将压缩空气通入蒸汽及冷却液

通道中，切断气源将蒸汽通道出气阀门关闭，参数如

表1所示。通过压力变送器采集的数据来判断蒸汽通

道的密封性是否满足要求。

表1

Table1

压力/MPa

保压时间/min

0.1

密封性实验参数

Sealingtestparameters

0.2

0.3

0.4

Fig.4

400

350

300

250

200

150

100

图4

Rotatingtestbench

旋转试验台

气压力为0.1、0.2MPa时，30min内压力几乎保持不

变，当压力增至0.3MPa时，30min内压力有轻微下

降，压力下降接近0.02MPa；当压力增至0.4MPa时，

30min压力下降接近0.05MPa，但未超过0.05MPa，

蒸汽通道气密性满足实验要求。

2.2传感器信息传递性能

温度采集模块、压差采集模块采集的数据通过路

由器传输到计算机中。温度及压降的采集是在旋转状

态下同时进行的，结果如图6所示。结果表明，温度

及差压变送器采集模块在旋转状态下可同时采集温度

及压差的数据信息，并将数据无线传输至计算机中，

2组数据在传输过程中不会发生相互干涉。

2.3

压

力

蒸汽通道密封性实验结果如图5所示，当压缩空

100 kPa

300 kPa

200 kPa

400 kPa

2530351520

时间/min

图5

Fig.5

通道内压力变化趋势图

Pressurechangetrend

高速图像采集性能

旋转轴上信号触发光电传感器工作，光电传感器

通过继电器将拍摄信号传递至摄像机中。为保障拍摄

系统光线充足，在图像采集过程中放置冷光源，用于

(a) 温度采集

(b) 压差采集

图6

Fig.6

《中国造纸》2022年第41卷第2期

无线数据采集图

Wirelessdatacollectiondiagram

·67·

(a) 50 r/min(b) 60 r/min

(e) 90 r/min(f) 100 r/min

图7

Fig.7

不同转速下通道内部蒸汽冷凝流型

Condensationstateofsteaminsidethechannel

参考文献

图像补光，本摄像机的曝光时间为1.5μs~40ms，在

转速为50~100r/min时，拍摄频率为500Hz。当转速

增大时，为拍摄到蒸汽冷凝状态，可提高拍摄频率。

不同转速下图像采集结果如图7所示。从图7中可清

晰观察到，不同转速下通道内两相流流型的变化，所

以本实验系统可成功采集选择状态下通道内的流

型图。

3结论

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本课题设计并搭建了模拟旋转状态下多通道烘缸

运行的试验台，并对试验台性能进行了测试。

3.1

3.2

在0.1~0.4MPa压力条件下，通道密封性能良

在旋转状态下，热电阻采集到蒸汽、壁面及冷

好，满足实验要求。

却液的温度场数据和压差变送器采集的压力差数据，

可同时由无线传输模块将数据传输至计算机中，在采

集及传输过程中，各信号之间不会发生干扰。

3.3在旋转状态下，高速摄像机可清晰采集到通道

内部蒸汽冷凝流型，可通过调节高速摄像机的频率来

实现不同转速下冷凝流型的采集。

3.4本试验台可用来模拟多通道烘缸的实际工作状

态，为进一步研究多通道烘缸提供实验条件。试验

台通过热电阻检测出来的数据可用于计算不同转速

下多通道烘缸内部矩形通道的换热系数，研究多通道

烘缸的传热效率，为多通道烘缸的设计及应用奠定了

基础。

·68·

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（责任编辑：杨苗秀）

·消息·

“2022中国国际造纸科技展览会及会议暨纸基绿色包装展览会”将在南京举办

2022年9月21—23日，中国造纸协会、中国造

纸学会和中国制浆造纸研究院有限公司将在南京国际

展览中心举办“2022中国国际造纸科技展览会及会

议暨纸基绿色包装展览会”。

展览会同期还将举办“2022中国国际造纸创新

发展论坛”和“2022国际造纸技术报告会”。

参展具体事宜如下：参展具体事宜如下：

一、时间

布展时间：2022年9月19—20日

展览时间：2022年9月21—23日

二、地点

展出地点：南京国际展览中心

地址：江苏省南京市玄武区龙蟠路88号

邮编：210037

电话：

传真：

三、展览内容

制浆造纸机械设备、零部件、辅助器材、自动

化设备及仪器仪表；各类商品纸浆、纸及纸板；废

《中国造纸》2022年第41卷第2期

纸及废纸利用技术、设备等；造纸化学品环保及综

合利用新技术及设备；特种纸原料及设备；包装材

料及生产设备；纸基绿色包装材料与制品；纸浆模

塑及设备

组委会联系方式

地址：

北京市朝阳区望京启阳路4号中轻大厦606室

联系人：

张景雯135****5679

QQ：810158510

龚凌135****3792

QQ：757159546

陈悦龙187****6774

QQ：676567427

金合意135****3915

QQ：1004915965

李寒189****8150

QQ：2353664851

E-mail：*******************；***********.com

·69·

发布者：admin，转转请注明出处：http://www.yc00.com/news/1713509748a2263089.html

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